鋁改性活性炭去除水中氟離子工藝

氟是人體生命活動中必需的微量元素之一，但若氟化物攝入超量容易引起氟牙癥、氟骨癥等疾病。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）規(guī)定飲用水中氟離子濃度應(yīng)小于1.0mg/L，但部分農(nóng)村的地下水氟離子濃度處于1.1mg/L~15mg/L之間。因此，快速有效保障飲用水中氟離子濃度達標(biāo)，減少飲用水型氟中毒刻不容緩。

吸附法具有低成本、易操作、可重復(fù)使用等特點，常用于水的除氟。活性炭因其表面積大、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、表面官能團豐富，是吸附法去除污染物的最常用材料。然而對于陰離子型水污染物，單獨使用活性炭的效果并不理想，有研究發(fā)現(xiàn)利用金屬氧化物或氫氧化物改性的活性炭可以提高其對氟離子的吸附選擇性。活性氧化鋁被認(rèn)為是最有效的除氟劑之一。因此，通過探究鋁改性活性炭(Al-AC）最佳制備溫度，并考察所制得的Al-AC在投加量、吸附時間和初始濃度等不同條件下對去除水體中氟化物的性能影響。

1、材料與方法

1.1 材料

活性炭(AC)為市售所購，NaF、AlCl3、氨水等為西隴科學(xué)股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 鋁改性活性炭的制備

將5g活性炭(AC)加入100mL的0.3mol/LAlCl3溶液并攪勻，同時用3mol/L氨水將溶液pH調(diào)至7，靜置沉淀完全后過濾分離，將沉淀物于100℃烘箱烘2小時，后移入氮氣氛爐中燒制，燒制條件：以升溫速率10℃/min升溫至目標(biāo)溫度，維持2小時，后在氮氣氛下自然降至室溫。取出樣品研磨備用，得成品即為鋁改性活性炭(Al-AC)。

1.3 氟離子吸附實驗

1.3.1 投加量對氟離子吸附的影響

分別稱取Al-AC0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1g置于50ml錐形瓶，各加入濃度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下吸附120min，過濾分離后，使用氟離子電極法測量濾液中F-的濃度。

1.3.2 吸附時間對氟離子吸附的影響

取9份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別加入濃度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下分別吸附5、15、30、60、120、180、240、300、360min，過濾并測量濾液的F-濃度。

1.3.3 F-初始濃度對氟離子吸附的影響

取6份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別移取F-濃度為5、10、20、30、40、50mg/L的氟溶液10mL加到上述錐形瓶，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下，吸附120min，過濾并測量濾液的F-濃度。

1.3.4 pH對氟離子吸附的影響

取6份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別移取10mL、pH分別為2、4、6、8、10、12的10mg/L氟溶液到各錐形瓶，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下，吸附120min，過濾并測量濾液的F-濃度。

2、結(jié)果與討論

2.1 AC和Al-AC的除氟性能

圖1是AC和Al-AC對F-的吸附容量。圖中明顯的可見，Al-AC對F-的吸附容量大于AC，在25℃、F-初始濃度為10mg/L、投加量1g/L、吸附時間120min條件時，Al-AC和AC對F-的吸附容量qe分別為0.951mg/g和0.563mg/g，即相同條件下Al-AC對F-的吸附容量比AC高68.9%。

2.2 燒制溫度對Al-AC除氟性能的影響

圖2為不同燒制溫度條件制得的Al-AC的除氟性能。由圖2可知，隨燒制溫度增加，Al-AC的吸附容量呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)燒制溫度500℃時Al-AC對氟化物的吸附容量最大。這是由于燒制溫度過低，不利于金屬氫氧化物的分解，會導(dǎo)致形成不完全的孔結(jié)構(gòu)，不利于對氟化物的吸附。但當(dāng)燒制溫度過高時，會使得金屬氧化物顆粒過度結(jié)晶和團聚，造成活性炭孔洞的堵塞，使吸附能力降低。因此，將最佳燒制溫度定為500℃。

2.3 投加量對Al-AC吸附容量的影響

不同投加量下，Al-AC對氟化物的吸附量的變化與對應(yīng)除氟效率見圖3。由圖3所示，隨著Al-AC投加量的增加，其對溶液中F-吸附量逐漸減小，然而去除率顯著增加。當(dāng)Al-AC投加量為0.04g時，去除率為95.4%，之后隨著投加量的增加，去除率變化很小，幾乎趨于平衡，故認(rèn)為最佳Al-AC投加量為0.04g。

2.4 吸附時間對Al-AC除氟性能的影響

由圖4所示，溶液中F-的去除率隨著吸附時間的增加而顯著增加，去除率快速增加的原因是因為在初始階段在Al-AC上有大量的吸附位點。當(dāng)吸附時間達到120min時，去除率為96.5%，進一步延長吸附時間，F-的去除率趨于不變。因此，將最佳吸附時間定為120min。

2.5 F-初始濃度對Al-AC除氟性能的影響

由圖5所示，隨著F-初始濃度的增加，溶液中F-去除率展示出先增加后減少的趨向。當(dāng)F-初始濃度為10mg/L時，F-去除率最大為96.4%，因此將最佳F-初始濃度定為10mg/L。

2.6 pH對Al-AC除氟性能的影響

由圖6所示，隨著pH值的增加，Al-AC對F-的去除率展示出先增加后減少的趨勢。在pH為6時，去除率最大為96.6%。當(dāng)pH小于6時，去除率低的原因可能是因為HF-的生成。值得注意的是，當(dāng)pH大于10時，去除率明顯減少，可能是因為溶液中的羥基離子與F-競爭引起，因此離子交換可能是Al-AC吸附F-的重要途徑。

2.7 Al-AC的吸附等溫線研究

如圖7和表1所示，在298K的條件下，實驗數(shù)據(jù)通過Langmuir和F-reundlich兩種模型擬合得到的相關(guān)系數(shù)R分別為0.93和0.94，表明F-reundlich模型更加適用于擬合該吸附過程，Al-AC對氟化物的吸附過程主要歸因于多層吸附。此外Langmuir模型計算得到Al-AC對F-的最大吸附量為5.08mg/g。

3、結(jié)論

通過研究不同因素對Al-AC除氟效果的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)Al-AC的最佳燒制溫度為500℃，Al的摻雜使AC對氟化物的去除性能提高68.9%。

(2)Al-AC除氟的最佳條件為：25℃時，F-初始濃度10mg/L下，Al-AC的投加量4g/L、吸附時間120min、pH=6。

(3)通過研究Al-AC的吸附等溫線模型發(fā)現(xiàn)，在298K的條件下，Al-AC對F-的最大吸附量為5.08mg/g;F-reundlich模型更加適用于擬合該吸附過程，表明Al-AC對氟化物的吸附過程主要歸因于多層吸附。（來源：(環(huán)境與資源學(xué)院、碳中和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，城市廢物資源化技術(shù)與管理福建省高校工程研究中心，福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，福州市環(huán)境科學(xué)研究院）